Organische Chemie und Salzvorkommen im Urvara-Einschlagskrater

Der drittgrößte Krater auf dem Zwergplaneten Ceres war viele Millionen Jahre nach seiner Entstehung mindestens einmal geologisch aktiv. In einer aktuellen Studie, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikationstellen Forscher des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen, der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und des National Institute of Science Education and Research (NISER) in Bhubaneswar, Indien, die bislang detaillierteste Untersuchung des Urvara-Kraters vor . Sie werteten erstmals Kamerabilder aus der letzten Phase der NASA-Mission Dawn aus, die nur wenige Meter große geologische Strukturen zeigen. Die Raumsonde Dawn trat 2015 in eine Umlaufbahn um den Zwergplaneten ein und untersuchte ihn etwa dreieinhalb Jahre lang aus nächster Nähe. Wie der Occator-Krater könnte auch der Urvara-Krater Schauplatz kryovulkanischer Aktivität gewesen sein, argumentieren die Forscher. Die Studie unterstützt das Bild, dass sich unter der Kruste von Ceres ein globaler Salzozean erstreckte, von dem einige heute noch flüssig sein könnten.

Zahlreiche große Krater bedecken die Oberfläche des Zwergplaneten Ceres, mit etwa 960 Kilometern Durchmesser der größte Körper im Asteroidengürtel. Der wohl auffälligste dieser Krater ist Occator auf der Nordhalbkugel. Die hellen Flecken in seinem Inneren, die bereits während der Annäherungsphase von Dawn deutlich sichtbar waren, entpuppten sich als salzige Überreste einer unterirdischen Sole, die bis in die jüngste geologische Zeit durch kryovulkanische Prozesse an die Oberfläche stieg. In einem anderen großen Krater namens Ernutet gibt es Hinweise auf freigelegte organische Verbindungen und damit auf eine sehr komplexe Chemie. In ihrer neuesten Veröffentlichung richten Forscher unter Leitung des MPS nun ihr Augenmerk auf den Urvara-Krater. Auf der Südhalbkugel gelegen, ist er mit einem Durchmesser von 170 Kilometern der drittgrößte Krater von Ceres. Es wird angenommen, dass der Einschlag, der ihn vor etwa 250 Millionen Jahren formte, Material aus Tiefen von bis zu 50 Kilometern freigelegt hat.

„Die großen Einschlagsstrukturen auf Ceres eröffnen uns Zugang zu den tieferen Schichten des Zwergplaneten“, erklärt Andreas Nathues vom MPS, Erstautor der aktuellen Studie und Lead Investigator des Kamerateams von Dawn. „Wie sich herausstellt, ist die aktuelle Topographie und mineralogische Zusammensetzung einiger der großen Krater von Ceres das Ergebnis komplexer und lang anhaltender geologischer Prozesse, die die Oberfläche des Zwergplaneten verändert haben“, fügt er hinzu.

Um diese Prozesse möglichst genau nachzuvollziehen, werden hochauflösende Bildgebung und spektroskopische Daten benötigt. Die genauesten Beobachtungsdaten des Urvara-Kraters wurden während der erweiterten Mission von Dawn gewonnen: Nach Ablauf der ursprünglich auf zwei Jahre angelegten Hauptmission reichte der verbleibende Treibstoff aus, um waghalsigere und hochelliptischere Bahnen zu fliegen, die die Raumsonde bis auf 35°C brachten Kilometer der Oberfläche. In dieser Phase nahmen die beiden Dawn Framing Cameras, das wissenschaftliche Kamerasystem der Mission, Bilder auf, auf denen mehrere Meter große Strukturen zu erkennen sind. Das Kamerasystem wurde unter Federführung des MPS entwickelt und gebaut und während der Mission vom MPS betrieben.

Die hochauflösenden Bilder des Urvara-Kraters zeigen eine geologisch deutlich vielfältige Landschaft. Mehrere terrassierte Kraterwände umschließen das Einschlagbecken; Das auffälligste Merkmal, das sich leicht vom Zentrum des Kraters entfernt erhebt, ist eine etwa 25 Kilometer lange und 3 Kilometer hohe Bergkette. An seiner Südflanke befinden sich zerklüftete Klippen, mit Felsbrocken übersäte Gebiete – und gelegentlich helles Material, das an die berühmten hellen Flecken des Occator-Kraters erinnert. Darüber hinaus zeigen die Bilder eine tiefe zentrale Vertiefung, Bereiche mit bemerkenswert glatten Oberflächen und einige, die mit zahlreichen kleineren, abgerundeten Vertiefungen übersät sind.

„Unsere Analyse zeigt, dass verschiedene Bereiche des Kraters sehr unterschiedlich alt sind“, sagt Nico Schmedemann vom Institut für Planetologie der WWU. „Der Altersunterschied beträgt bis zu 100 Millionen Jahre. Das deutet darauf hin, dass Prozesse am Werk waren, die noch lange nach der eigentlichen Entstehung des Kraters andauerten“, fügt er hinzu. Für Studien dieser Art zählen die Forscher die kleinen Krater, die jede Oberfläche atmosphärenloser Körper bedecken. Da ältere Oberflächen mehr Zeit hatten, solche Einschläge kleinerer Asteroiden zu „akkumulieren“, haben sie mehr Krater als jüngere. Außerdem spielen Modelle der Beschussstärke zu verschiedenen Zeiten eine Rolle bei der Bestimmung des genauen Alters.

Nach diesen Modellen sind die unberührtesten Gebiete im Urvara-Krater etwa 250 Millionen Jahre alt. Diese Zeit markiert die Entstehung des Kraters selbst. Jüngere Oberflächen innerhalb des Kraters umfassen ausgedehnte glatte, dunkle Bereiche sowie Gruben, die wahrscheinlich durch Gasaustritt im Untergrund entstanden sind.

Weitere Hinweise auf die turbulente Vergangenheit des Kraters liefern Bilder, die mit den Farbfiltern des Kamerasystems aufgenommen wurden. Sie lassen Rückschlüsse zu, welche Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts bestimmte Oberflächen ins Weltall reflektieren – und damit Rückschlüsse auf ihre mineralogische Zusammensetzung. Wie sich herausstellt, handelt es sich bei dem hellen Material um Salze. Daten des VIR-Spektrometers von Dawn, die von der italienischen Weltraumbehörde ASI zur Mission beigetragen wurden, weisen auch darauf hin, dass organische Verbindungen zusammen mit Salzen an einem Hang westlich des zentralen Gebirges abgelagert wurden. Eine solche Kombination von Salzablagerungen und organischen Verbindungen wurde bisher nicht beobachtet. Auch die Vorkommen organischer Verbindungen scheinen vergleichsweise jung zu sein.

„Der Ursprung und die Bildung organischer Stoffe auf Ceres bleiben interessante offene Fragen, die wichtige Auswirkungen auf die gesamte geologische Geschichte von Ceres sowie potenzielle Verbindungen zur Astrobiologie und Bewohnbarkeit haben. Die organischen Stoffe, die wir im Urvara-Becken auf der südlichen Hemisphäre gefunden haben, unterscheiden sich von denen den organisch reichen Gebieten im Ernutet-Krater in der nördlichen Hemisphäre und wird uns helfen, diese Fragen zu beantworten“, sagt NISER-Wissenschaftler Guneshwar Thangjam. „Das Team arbeitet an diesen Aspekten, indem es sowohl FC- als auch VIR-Spektraldaten verwendet“, fügt er hinzu.

„Insgesamt bietet uns der Urvara-Krater ein ausgesprochen komplexes Bild, das wir noch nicht vollständig verstehen und das Raum für zwei Interpretationen lässt“, fasst Andreas Nathues die Ergebnisse zusammen. Beispielsweise könnte der Einschlag, der den Urvara-Krater bildete, Salze aus dem Inneren des Zwergplaneten an die Oberfläche transportiert haben. Einige Hinweise deuten jedoch darauf hin, dass stattdessen eine salzige Sole beteiligt war, die aus dem Inneren aufstieg und weitere Prozesse einleitete. Ob die Sole die Oberfläche erreichte oder sich nur knapp darunter ansammelte, ist unklar.

Unabhängig von der genauen Interpretation bekräftigen die aktuellen Ergebnisse das Bild des Zwergplaneten, das die Dawn-Mission in den letzten Jahren von Ceres gezeichnet hat: ein geologisch aktiver Körper, unter dessen Kruste sich in unterschiedlichen Tiefen Salzschichten erstrecken. Diese können mit einem früheren unterirdischen Ozean zusammenhängen, der auch organische Verbindungen enthielt. Trotz der großen Entfernung von Ceres von der Sonne könnte diese Sole dank der gelösten Salze noch heute in großen Flüssigkeitsreservoirs in etwa 40 Kilometern Tiefe überleben.